太原晋卿赵鞅墓车马坑马骨的保护与修复

选自《文物保护与考古科学》2009年第2期，张 宏,聂东红(太原市博物馆,山西太原030002)

摘要:春秋晚期的晋卿赵鞅墓车马坑马骨历经2500年的埋藏,有一定程度的腐朽;易地保护的切割,造成严重损伤;多次搬迁,造成箱内切块严重开裂破碎;出土后的长期裸露存放,形成一定程度的表面风化。为解决马骨的破损与风化,以及马骨承托底土的整体性问题,本工作采取的研究与保护措施有:对马骨骨组织结构进行电镜观察和力学性能检测、置换和轻化承托底土、隔绝地面水气、修补切割缝、修复马骨、作防风化处理。经过两年的艰苦工作,晋卿赵鞅墓车马坑马骨的科技保护与修复完成了既定目标,达到了预期效果。

引言

太原晋卿赵鞅墓车马坑于1988年在太原第一热电厂扩建工程中出土,由于最终决定古墓迁移保护,车马坑文物被切割装箱存入库房达14年之久。太原市博物馆于2002年6月动工,历时四年,成功地对整个车马坑进行了科技保护与修复。2008年5月9日通过了国家相关部门的验收。

晋卿赵鞅,亦称赵简子。他曾在晋国的政治舞台上起着举足轻重的作用。至春秋晚期,为晋国中军将,六卿之首,执掌晋国重权,是晋国诸卿中领地最多,势力最大的一卿。因此,赵鞅墓及车马坑出土文物是研究晋文化最好最完整的资料。春秋晚期赵鞅创建了晋阳城,因此,赵鞅墓及车马坑文物也是太原建城2500年的最重要的物证。

赵鞅墓共出土文物3412件,有礼器、乐器、兵器、车马器、工具、生活用具等6大类,其中有镬鼎、列鼎、编钟等青铜器1402件,玉器297件,金器、玛瑙器28件、有水晶、绿松石串珠等,赵鞅墓主要出土文物原状见图1所示。

附葬车马坑位于赵卿墓东7m,北2m处,面积110m。车马坑平面呈曲尺型,车坑和马坑垂直交汇组成。东西总长14.8m,南北总长12.6m。车坑东西长12m,南北宽6m,深约4.5～5.5m。马坑南北长12.6m、东西宽3m,深约4m。出土古战车16辆。出土战马遗骸46具。出土原状见图2所示。

在车马坑的发掘清理过程中,发现该坑的埋藏十分讲究。古车排列整齐,战马安放有序,车和马的埋藏保存情况非常之好。古车采取了车轮落槽,车轴车辕着地,车轮悬空的掩埋方式。因此,所有古车基本保持了原车形态。战马遗骸除个别部位有腐朽残损外,整体保存状况良好。非常痛心的是由于易地保护和限时搬迁,车马坑被进行了突击性的切割装箱,致使文物遭到了极大的损伤。切割后的车马坑大小共装52箱。这批箱子箱体边长均在1.6m以上,箱高达1.4m,最大箱子边长1.95m,重量近3t。由于没有大文物库存放,这批箱子历经三次搬迁存放。由于箱底是发掘现场一条条插入的分散底板,在三次搬迁搬运中均使用了插车,插车致使箱底板受力不匀,造成箱内切块严重开裂破损。出土后在库房存放的14年中,由于文物原生环境发生改变,马骨在失压状态下暴露于大气之中,随季节和温湿度的反复循环变化,对其也造成一定程度的破坏。开箱检查见马骨存在的具体病害和问题是:1)总体有风化,部分面脥骨和肋骨已完全风化腐烂(图3);

2)骨质总体强度、密度下降,弹性降低,脆性增加(图4);

3)部分骨表面有霉斑,颜色变黑。部分骨表面有大量裂纹(图5);

4)骨表面土锈、尘土污染严重,清洗后见颜色普遍发黄;5)切割造成马骨严重损伤,切下的碎骨零散有缺失;6)腕骨、跗骨、蹄骨、冠骨、系骨等小骨头散落缺失;7)搬运受力不均匀,造成马骨支撑土严重开裂、错位、下塌(图6)。

1马骨保护修复的思路

根据马骨病害情况确定的保护修复思路是:对马骨中常量、微量元素含量和力学性能进行检测,了解骨中无机物的变化情况;对马骨骨干密度、弯曲强度、弹性模量进行检测,了解马骨的力学性能下降程度;进行骨组织结构扫描电镜的观察和胶原纤维的超微观察,了解骨组织内部结构和质地情况;修复切割装箱造成的伤残,修复腐朽风化带来的残损,使其外观保持完整;置换承托底土,减轻重量,使其整体性加强,解决再次搬运问题;加钢底座架空,隔绝地面潮气,有利于有效解决防风化问题。

依据我国《文物保护法》、《文物古迹保护准则》,以及车马坑现场图纸和照片,我们详细制定了《赵鞅墓车马坑科技保护修复方案》。方案确定对马骨保护修复的原则是:

1)尊重原貌原则。严格按编号对号就位,严格按原水平线与分割线确定高低和前后左右位置,确保不改变原貌。

2)科学保护原则。首先要对保护对象的物质成分、组织结构与强度等力学性能进行研究;其次要从保护材料性能、与文物质地的相容性、耐久性,以及所要达到的强度等方面研究入手,选用能够满足马骨保护要求的保护材料,使骨质文物的保护修复具有科学性。

3)试验在先原则。在修复前对所选保护材料的配比、保护效果、颜色变化,以及修复的技术程序和吊装搬运等都要做到试验在先,待取得理想数据和心中有数后再进行修复。

4)适度保护修复原则。在保护修复中无论是对骨质文物的技术处理上,还是在保护材料的用量上,都要掌握适度原则,坚持保护材料对文物的最小干扰。

5)分块可移动原则。车马坑文物修复后会有进入博物馆的再次搬迁,为此车马坑修复要确立分块可移动的原则。

2马骨的科学分析

战马被殉葬深埋地下历时近2500年,其机体受到包括水害、土壤的多种成分及各种菌群的侵蚀,其肌肉、脑组织及软骨组织等早已完全腐烂消化,只剩有遗骨。长期的埋藏致使马骨已变质,强度降低、脆性增加,少数骨干还有一定程度的腐烂。马骨出土后又长期暴露在大气环境中,这无疑对马骨尤其对骨表面产生进一步的损害。

经表面观察,见骨表面普遍有一层黄褐色土锈,经清洗可见骨表面比较平滑,少数骨表面有霉斑和不同程度的裂纹,分析认为霉斑是霉菌侵蚀所致,表面裂纹是马骨骨质成分流失和水分蒸发所致。深入观察可见松质骨,骨小梁结构清晰,彼此相互连通,搭成网状,仅见部分骨小梁塌陷,结构紊乱,网眼大小不一。因此,对马骨进行骨质成分、力学性能的检测,以及扫描电镜技术进行微观结构的观察是科学保护的基础。

2.1马骨质中常量元素、微量元素检测

将含水量为1.92的古代马皮质骨与含水量为6.69的现代马皮质骨进行常量元素和微量元素的检测对比。检测方法分别采用火焰原子吸收法进行检测。检测分析仪器为:原子吸收分光光度计,型号21040-1。马骨质元素含量检测结果见

2.2马骨力学性能检测

力学性能的检测是马骨保护的重要基础。马骨组织是由骨细胞、骨胶原纤维(有20多种氨基酸组成的蛋白质)和无机钙盐构成的坚硬且富有韧性和弹性的特殊结缔组织,同时还是含有锌、铜、锰、镁、铅、镉、镍等10多种微量元素的致密结构组织。对马骨骨干进行力学性能检测,并与现代马骨进行比较。马骨骨干密度测试结果见表2,马骨三点弯曲极限强度测量方法和结果见图7和表3,马骨压缩弹性模量测量方法和结果见图8和表4。

从以上三项试验结果(表2～4,图7～8)看,赵鞅墓车马坑古代马骨比现代马骨的骨密度平均下降了33.65;股骨、胫骨、掌骨的弯曲极限强度下降:股骨为75.55、胫骨为93.04、掌骨为86.48,总体平均下降86.02;压缩弹性模量下降:股骨为43.8、胫骨为74.61、掌骨为71.42,总体平均下降了63.27。表明古代马骨力学性能明显低于现代马骨。

2.3骨组织结构的扫描电镜(SEM)观察

2.3.1骨组织的样品制备取古代马骨和现代马

皮质骨、松质骨,切割修整成适当大小形状后,置于磷酸缓冲液中,超声清洗三次,每次10分钟,至清洗液透明,于3戊二醛中固定3小时,50-70-80-90酒精递度脱水(每次10分钟,在超声条件下5分钟),100酒精脱水3次(每次10分钟),100叔丁醇脱水3次(时间同前),-12℃冰箱15分钟,真空干燥,喷金,扫描电镜观察。

2.3.2骨组织SEM观察SEM观察现代马皮质骨结果见图9所示,古代马皮质骨结果见图10所示,现代马松质骨结果见图11所示,古代马松质骨结果见图12案所示。从图9～12可见:①古代马皮质骨与现代马皮质骨比较结构基本相似,骨板排列较规律,结合紧密,未见明显塌陷或缺损。可见从骨表面进入骨质内的血管腔,形成骨组织的多孔隙结构。但见有大小不同、结构不一、走向无序的损伤裂缝。②电镜下见骨表面电子密度较均一。③低倍镜下可见排列不甚规则的骨胶原纤维结构,高倍镜下见这些纤维与现代骨胶原纤维形态结构基本相似,但有融合变性,表现纤维变粗和缩短,可能是胶原纤维或粘合质变性所致。④古代马松质骨形态结构与现代马松质骨相似,但骨小梁结构较疏松。骨小梁之间的骨髓腔互相连通,有部分骨小梁缺损或排列紊乱,骨髓腔变形缩窄。

综上所述,将骨组织的常量微量元素、骨干密度、弯曲极限强度、压缩弹性模量的检测及SEM观察结果与现代马骨相比,表明古代马骨骨质无机钙盐含量从分析数据上是减少了,力学强度也有一定程度的降低,同时存在形态结构上的差异,但仍保留着骨组织无机盐和有机骨胶原纤维成分。经进一步分析检测结果发现:古马不同部位骨组织(如股骨、胫骨、掌骨等)的力学性能不同,此结果表明马骨在地下几千年的地理环境影响下,它并没有完全丢失各部位骨组织无机盐的含量分布,同时也没有完全改变被羟基磷灰石微晶体包绕的有机胶原的有序排列,仍保持了骨结构相对坚硬且富有弹性和韧性的基本特性,这显示出古代马骨材料的宝贵和对其实施科学保护的价值。

3马骨保护材料和试用结果

3.1马骨保护材料

马骨保护的主要内容是马骨的修复和防风化问题。因此,对马骨的保护材料要进行认真的研究后选择具有优异粘结性、耐酸碱、耐老化的硅丙乳液、氟硅保护剂作为马骨的保护材料。硅丙乳液,全称为有机硅改性丙烯酸乳液,产自江苏常州中国建筑涂料研究院。氟硅保护剂为法国派立克公司生产,上海恒生经贸发展有限公司经销。

3.1.1硅丙乳液含量25的水性硅丙乳液,是本次车马坑保护与修复中使用量较大的材料。该高分子材料是由有机硅氧烷单体和丙烯酸酯基类单体通过化学共聚反应得到的共聚物。硅丙乳液中的有机硅化物较低的活化能,决定硅丙树脂具有很强的耐水性和粘结性,水滴在涂层表面不易浸润、散开或渗透。此外,硅丙乳液pH值为6～7,呈中性,无毒无味,环保安全,它的水溶性与土壤有很好的粘结性,在施工中便于操作。鉴于它具有耐热、耐紫外光、耐水性、透气性、及优异的粘结性,并且喷洒在保护物表面及掺入材料中干燥后不改变颜色等优点,选用硅丙乳液作为保护剂是安全有效的。

3.1.2氟硅保护剂氟硅保护剂是具有良好的憎水和防风化性能的高分子材料,其pH值为6.5～7.0。它是氟硅共聚物树脂,是在硅氧烷主链上与长链碳氟烷基形成的一种有机树脂。氟硅保护剂极强的憎水性(图13),使一般的水分和污染物难以粘贴上去,也难以形成一般细菌发育繁殖条件,大大提高涂过氟硅保护剂的试块上形成水珠滚动的荷叶效应,而在右侧未涂氟硅保护剂的水被吸收。因此,氟硅保护剂也是安全可靠的。

3.2试用结果

3.2.1硅丙乳液的试用结果硅丙乳液的pH值为中性,无色无味,具有的优异的粘结性和耐紫外光线、耐热、抗氧化性,特别是它优异的粘结性,可大大增强马骨的强度。骨组织主要由不溶或微溶的磷酸钙、碳酸钙、羟基磷灰石等无机盐成分组成,而有机骨胶原纤维被深埋在无机盐基质中,并被羟基磷灰石包绕,一般不会被破坏。而骨组织的无机成分与有机的硅丙乳液不会起化学反应。因此,使用硅丙乳液是安全的。由于马的面颊骨、肋骨、肩胛骨、腿骨等有腐朽与风化现象,需要进行残破状的修补。

经反复试验比较,确定马骨技术修复所用修补材料的配比为1份石膏,2份骨粉,配以1∶3浓度的硅丙乳液调制而成。大量用骨粉是为使其更接近骨质成分,用石膏是为增加材料的凝固和粘合性。实际操作表明硅丙乳液的水溶性使修复工作变得便于操作,便于塑形,极大地方便了修补马骨的操作。

3.2.2氟硅保护剂的试用结果氟硅保护剂是一种具有憎水和防风化性能的材料。在赵卿墓车马坑保护中,把氟硅防护剂作为表面封护的保护材料,主要在修复好的马骨表面进行喷涂和浸泡使用,其配比为:1份石油醚∶7份氟硅保护剂。

1)喷涂后的SEM观察。取新马皮质骨,经超声清洗干燥后,将骨表面人为造成轻度凹凸不平呈锯齿状骨缺损(图14),再用1∶7氟硅保护液均匀喷涂和浸渍骨样品,喷金后进行电镜观察,结果显示,骨表面凹凸不平锯齿状纹理被一层微粒体所填充,纹理结构模糊,反差降低,电子密度较低且均质,表明骨表面已形成了一层树脂薄膜(图15),会对马骨起到保护的作用。

根据对氟硅保护剂的高倍SEM观察,见其微粒粒径小,分散均匀,电子密度高,且彼此紧密结合,不发生融合性粘连的特性,表明颗粒与颗粒的间隙可形成透气的通道,说明它不会抑制内部潮气的向外排出。因此,这种保护剂既具有憎水性,又具有透气性,它是骨质文物保护的理想保护材料。

2)喷涂后的效能检验。马骨喷涂氟硅后的效能检验、保护前后的效能检验对比是两项常规检验。其涂拭条件为:在温度25℃,湿度<50,用量为20m/L条件下,对马骨进行均匀喷涂。然后进行耐酸、耐碱、耐水、耐人工老化、耐沾污性检测。具体方法是5硫酸或盐酸、饱和氢氧化钙,以及沾污物对马骨进行涂拭,48小时后用观察和秤重法取得检测结果(表5)。

3)喷涂前、后的效能检验对比。马骨喷涂氟硅保护剂30天后,用称重法将经过保护剂处理与未经保护剂处理的马骨进行效能检验对比,结果见表6。

从表6数据可以看出,被涂物在保护前后的差别非常大,几乎是十倍的差距。证明氟硅保护剂处理后,马骨的耐水性及耐酸、碱、盐、水的性能均会得到大幅度提高。

4马骨的修复保护工艺

为车马坑的修复和搬运方便,修复前我们针对修复大厅内大小52个箱子,安装了起重量三吨的能纵横运行的天车。为使箱块能靠拢紧密,接缝严和,对大厅地面做了找平层。根据保护修复方案,制定了修复前、修复时和修复后的工艺步骤。

4.1修复前的工艺步骤

马骨修复前我们主要采取了翻箱清土、消毒绘图、浇注轻质底板、回翻箱块等步骤。

1)清理马骨木箱。马骨的切割块共17箱。清理马骨箱的方法是:①按图核对箱号是否齐全,并按顺序将其吊运排放;②从起边的第一箱开始,打开箱盖,清除稻草、杂土;③取出切割缝切下的零乱碎骨,按箱号存放;④将移位的骨头复放原位,并作详细登记。准备翻箱子。

2)确定骨面高度与切块厚度。翻箱前要先确定骨面高度,骨面高度是箱内切块厚度加钢托架高度。由于车坑和马坑呈曲尺状相连,有唯一的一个车辕叠压在马骨上。因此,用带车辕的骨箱对接车舆,根据车舆高度确定此骨箱的高度,并在较高骨面上定点,此点就是本骨箱的骨面高度。同时确定箱体下钢托架的高度,经综合分析,我们确定17箱马骨切块的钢托架高度统一为250mm。其余箱子的骨面高度,依据箱与箱之间的骨骼关系来确定。当骨面高度确定后,要将骨面高点作水平平移,刻画在箱体外。在骨面高度内,钢托架的高度已确定,那么,切块的厚度值就清楚了。

3)翻马骨箱子。翻箱的目的是为去除马骨下破碎松散的坑土,将其置换成轻质材料;一是为减轻重量;二是为增加切块的整体性。翻箱前给箱内过低部位填土,用麻纸将马骨覆盖,其上再覆盖塑料薄膜,再用过筛细土将其覆盖填平夯实,然后再盖上箱板,将木箱上下两道角铁的螺母拧紧,为防止螺丝滑扣要多加一道螺母。除此之外,我们还在箱子的四角围以角钢,在箱子的端头角钢的对角做丝杠斜拉,以保证箱子在翻转到45°时不会散架。为了使包装加固的丝杠不被碰坏,经反复试验,设计制作了翻箱滚动器,用倒链配合天车缓慢交替使用将木箱翻了过来。

4)拆箱取底土与绘图消毒。木箱翻置后,打开箱盖,洒水将土洇湿,逐步取出箱底土,直至露出马骨和麻纸,然后有专人绘出底部图。绘完图后用1∶6的戊二醛溶液30L配以60mg碳酸氢钠喷洒消毒,喷洒完后用塑料薄膜覆盖12小时。消毒后揭去塑料薄膜,随箱内骨面起伏情况均匀覆盖10～12cm的过筛细土,然后用木板捣实,准备浇筑轻质材料。5)浇筑轻质底板。在浇筑轻质底板前,根据箱外标记的骨面高度减去托架的厚度,计算出轻质底板的浇筑厚度。如果箱子的深度不够,需加深箱围。反之则降低箱围。然后用1∶3的高标号水泥与珍珠岩的混合材料,以10cm的厚度均匀填入箱内,然后铺一层钢丝网,再填入珍珠岩混合材料。在接近填满留有5cm时,再铺一层钢网,然后将混合材料填满、振动、抹平。为进一步减轻重量,在保证其强度的情况下,浇筑轻质底板时可在底板中心部位留空。此外,非常重要的是在铺这两层钢网时,我们将网子四边多留出10余厘米,并将它垂直窝在箱体内,以便事后挖出继续浇筑切割缝。对于箱块的嵌入关系也要予以预留。

6)回翻箱子与清除覆土。轻质底板浇筑完成并经48小时凝固、养护后,盖上底板,恢复翻箱时所用的所有固定措施,用天车、倒链与翻箱滚动器将箱子翻回。然后松开螺母,拆掉箱子盖板,清除箱内复土,去除薄膜与麻纸,恢复原骨面状态,准备技术修复。

4.2马骨修复的工艺步骤

马骨的技术修复与保护需进行骨骼关系的辨认和清理、马骨清洗、马骨的修补、防风化保护等六个

环节,其中马骨的修补是最主要的也是花工费时最多的环节。

1)深度细致清理,搞清骨骼关系。在修复前要对马骨进行深度剔除土壤的清理,让马的遗骸清晰外露,使人能直观辨清骨骼的关系。在清理时我们特别注意分清有叠压关系的马骨,注意了细小马骨和腐烂严重部位的骨骼的关系,对取出的马骨进行分匹编号,并有专人记录。经深度细致的清理,使我们又清理出在底部叠压的两具马骨遗骸,因此,改变了晋卿赵鞅墓出土44匹马的记录,成为46匹。

2)清洗马骨。清洗是为清洁马骨,清除马骨表面黄土污垢,让人更清楚地看清骨表面情况,以利于修复。具体方法是:使用蒸馏水,用柔软刷子和注射器进行了清洗。清洗后见马骨表面大部分发黄,部分马骨有霉斑,有些马骨的表面见有出土时为防止风化曾刷的清漆。

3)修补马骨。对马骨的修补采取了两种方式,一种是在箱内原位修补,一种是箱外修补,它是单骨编号取出箱外的修补。为有利于残损马骨的修复,我们还买了一套新马骨作为修复参照的样本。具体修补方法见表7及图16～23。

4)颜色处理。在马骨的修复材料中掺有石膏成分,其所补部位会干燥后成为白色,因此需根据马骨的颜色进行着色处理(图24)。具体方法是:视骨面的颜色情况,用赭石颜料分别配以红、黄、黑、白等颜料进行调色,然后进行补色。着色方法:用油画笔、毛笔蘸色,用捅和点的方式进行不均匀上色,由浅入深多次逐渐上色,最终使着色部位和骨面颜色基本接近。

5)防风化保护处理。在马骨着色并完全干燥后,就进行防风化保护处理。具体方法是:在容器中1∶7的比例配制氟硅保护剂与石油醚溶液。然后将马骨放入氟硅保护溶液中,浸湿后迅速取出,待石油醚成分完全挥发后,照此方法再处理一次。两次处理即可达到表面封护,起到防风化作用。对箱内不能取出的马骨我们对其进行了三次氟硅保护剂的喷涂处理。经过保护处理的马骨增强了颜色的附着力,具有了憎水和防风化能力。

6)马骨复位。马骨做防风化保护处理后,按记录和编号将其摆放回原位,复位后要对就位马骨周围的辅土进行填补,使回位的马骨恢复原来半掩埋的稳固状态。

4.3修复后的工艺步骤

马骨基本修复后我们又实施了制作钢托架、补筑切割缝、修复缝间马骨、吊装合拢等工艺步骤。

1)制作钢托架。马骨钢托架的制作是完全用40mm的国标角钢焊接而成,全部托架高度均为250mm,平面尺寸分别以箱块大小为基础,具体根据切割缝上的骨骼关系,在考虑补足切割缝的情况下确定钢托架的边沿尺寸。我们制作的钢托架的四边,让其角钢向上开口,以利浇注块和托架的牢固衔接;所有的托架焊接口都焊有加强筋块,保证了钢托架的牢固。所有马骨钢托架全部靠拢组合后,外围四边平齐,各接缝紧靠吻合。

2)补筑切割缝。由于切割套箱,切块与切块间必然有缺损,因此需要将切割缝补上。具体操作是:马骨箱块在箱内修复后即可拆箱用天车吊上托架,根据骨骼关系确定摆放准位置,然后在轻质托板的侧立面将钢丝网挖出,用水泥珍珠岩材料进行支模浇筑,浇筑要与钢托架四边平齐。浇筑完成后用水泥砂浆将四壁垂直抹平抹光。然后在其上垫10cm的坑土捣实,外边用坑土泥浆抹平,与下部的水泥砂浆接平。

3)修复缝间马骨。补筑好切割缝,将切割缝间的马骨按骨骼关系和修复工序进行修复。修复时要将本箱捡出的切割碎块逐一对茬进行粘接修补,对于碎块丢失或缺失的也要补齐。

4)吊装合拢。上钢托架的马骨块修复完成后,要将其一一吊装靠拢,以节省场地。吊装靠拢后,要检验对接缝和马骨接口是否合适,对不合适的要及时做进一步修整和处理。吊装靠拢后的马骨切块共17块,外边总长13.25m,总宽3.5m。晋卿赵鞅墓车马坑是由车坑和马坑两部分垂直相交组成,其平面呈曲尺形。修复后按原状排列组合,其东西总长15.45m,南北总长13.25m。车坑端头宽5.58m,马坑端头宽3.5m。

5结论

经过对马骨的逐个单骨的修复和氟硅保护剂的封护,使晋卿赵鞅墓车马坑马骨得到了完全彻底的保护;由于底承土的置换,使切块整体性好,而且减轻了近一半的重量;钢底座的加置,使马骨切块下部架空,有利于空气流通,杜绝了潮气的对马骨的侵害,从而有利于马骨的长效保护。